Corso di Idraulica ed Idrologia Forestale

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1 Corso di Idraulica ed Idrologia Forestale Docente: Prof. Santo Marcello Zimbone Collaboratori: Dott. Giuseppe Bombino - Ing. Demetrio Zema Lezione n. 18bis: Misura dei parametri idrologici del suolo Anno Accademico

2 Indice Misura della porosità Metodi diretti Metodi indiretti Misura del contenuto idrico Termalizzazione di neutroni veloci Riflettometria nel dominio del tempo (TDR) Misura del potenziale matriciale Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a depressione Infiltrometro ad anello Infiltrometro a doppio anello Permeametro Guelph Determinazione della curva di ritenzione Vasche Stackmann Piastre di Richards

3 Materiale didattico Slides delle lezioni frontali Greppi M.: Idrologia. Il ciclo dell acqua e i suoi effetti, Ed. Hoepli, Milano, 1999 Moisello U.: Idrologia tecnica, Ed. La Goliardica Pavese, Pavia, 1999

4 Misura della porosità I metodi di misura della porosità si distinguono in diretti ed indiretti Nel primo caso deve essere disponibile un campione (detto carota )) di suolo roccia Nel secondo la porosità è calcolata attraverso la misura di proprietà fisiche correlate con essa

5 Misura della porosità Metodi diretti I metodi diretti misurano la porosità effettiva (volume dei soli pori intercomunicanti) e consistono nella misurazione del volume dei pori e del volume totale del campione per saturazione: il campione viene dapprima essiccato e pesato, successivamente saturato con acqua e nuovamente pesato La differenza in peso è costituita dal peso di acqua nei pori (e quindi dal volume dei pori, V p ) Il campione saturo viene immerso in acqua per misurare il volume totale (V( t ) sfruttando il principio di Archimede

6 Misura della porosità Metodi diretti mediante la legge di Boyle: il campione essiccato viene posto in una cella di volume noto, nella quale viene fatto espandere un volume noto di elio Misurando la variazione di pressione, si ricava il volume della frazione solida del campione; il volume totale viene misurato con lo stesso metodo confinando il campione in una guaina impermeabile

7 Misura della porosità Metodi diretti misurazione ottica: una sottile lamina del campione viene esaminata al microscopio dove viene rilevata direttamente la superficie occupata dai pori Questo metodo non è applicato frequentemente, in quanto è utilizzabile solo per campioni di suolo costituito da roccia ed è soggetto ad errori, non potendo tener conto dell' estensione dei pori nella terza dimensione

8 Misura della porosità Metodi indiretti I metodi indiretti generalmente esprimono la porosità attraverso la misura di proprietà fisiche in qualche modo correlabili con essa Le misurazioni avvengono mediante delle apparecchiature elettroniche che registrano in continuo le proprietà di interesse

9 Misura della porosità Metodi indiretti misure acustiche: si utilizza un apparecchiatura dotata di una sorgente che emette onde acustiche alla frequenza di 20 khz ed un ricevitore che registra il tempo impiegato dall'onda di compressione a percorrere la distanza tra i due apparati Nota la litologia, la granulometria ed il tipo di fluido contenuto nei pori, la porosità è calcolata applicando una relazione empirica

10 Misura della porosità Metodi indiretti misure di densità: l'apparecchiatura di rilevazione è costituita da una sorgente e da un ricevitore di raggi gamma Viene misurato il flusso di raggi gamma non assorbiti dal mezzo (roccia e fluidi), che dipende dalla sua densità elettronica La porosità è calcolata tramite una relazione empirica in funzione della densità reale del campione, correlata alla densità elettronica

11 Misura della porosità Metodi indiretti misure neutroniche: si basano sulla misura della perdita di energia cinetica dei neutroni ad alta energia emessi da una sorgente La perdita di energia è massima nelle collisioni con i nuclei di idrogeno presenti nel mezzo, che per la massima parte si concentrano nella parte fluida (acqua o idrocarburi) che occupa il volume poroso

12 Misura del contenuto idrico Anche per tale proprietà metodi diretti ed indiretti fisica possono utilizzarsi Trai metodi diretti la tecnica più affidabile è il metodo gravimetrico (da effettuarsi in laboratorio su campioni indisturbati), che consiste nel pesare il campione umido, essiccarlo poi in stufa a 105 C C per 24 h e infine pesarlo di nuovo; per differenza si ottiene il peso dell acqua contenuta inizialmente nel campione Si tratta di un metodo distruttivo,, in quanto comporta il prelievo di un campione di suolo che, una volta essiccato in stufa, non è riutilizzabile per altre misure

13 Misura del contenuto idrico I metodi indiretti si basano sulla misura di altre grandezze fisiche, a loro volta correlate con il contenuto d acqua Tali metodi, poco invasivi, si prestano anche ad esser utilizzati in sito Fra essi annoveriamo: la termalizzazione di neutroni veloci la Riflettometria nel Dominio del Tempo (Time Domain Reflectometry TDR) l uso di radar satellitari

14 Misura del contenuto idrico Termalizzazione di neutroni veloci Il metodo consiste nell infiggere nel suolo una sorgente radioattiva di neutroni veloci (di solito Americio 241- Berillio) Tali neutroni sono rallentati (o termalizzati) ) dagli urti contro gli atomi di idrogeno che incontrano nel suolo, prevalentemente contenuti nelle molecole d acquad

15 Misura del contenuto idrico Termalizzazione di neutroni veloci Un recettore posto a breve distanza dalla sorgente contiene atomi di gas (di solito trifluoruro di bromo o elio-3), che, assorbendo i neutroni, assumono uno stato energetico maggiore ed emettono fotoni (rilevati elettronicamente), il cui numero è proporzionale al contenuto d acquad

16 Principali svantaggi: Misura del contenuto idrico Termalizzazione di neutroni veloci radioattività necessità di calibrazione

17 Misura del contenuto idrico Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) Il metodo si basa sulla forte correlazione esistente tra il contenuto d acquad e la permittività dielettrica relativa (ε( r ) del suolo A temperatura ambiente, infatti, per l acqua l ε r vale circa 80, mentre la fase solida ha valori intorno a 4 5 e l aria l circa 1 La permittività del mezzo trifase, quindi, è sensibile alla quantità di acqua in esso presente molto

18 Misura del contenuto idrico Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) Per la maggior parte dei suoli non è pertanto necessaria alcuna calibrazione Una espressione molto usata del legame tra ε r contenuto d acquad è la seguente: e il θ = ε r ε r ε r

19 Misura del contenuto idrico La permittività dielettrica relativa ε r La forza di Coulomb,, calcolabile mediante la legge di Coulomb,, esprime meccanicamente l'interazione presente tra due corpi carichi elettricamente: se entrambi presentano la stessa carica,, positiva o negativa, la forza risulterà repulsiva; in caso contrario, la forza risulterà essere attrattiva

20 Misura del contenuto idrico La permittività dielettrica relativa ε r La forza che si esercita tra due corpi carichi elettricamente: è diretta lungo la congiungente delle cariche il verso dipende dal loro segno è proporzionale al prodotto del modulo delle loro cariche q e inversamente proporzionale al quadrato della distanza d tra essi Legge di Coulomb

21 Misura del contenuto idrico La permittività dielettrica relativa ε r q 1 e q 2 sono le cariche interagenti, d è la distanza tra le cariche e k la costante di Coulomb,, pari a: dove ε 0 è la costante (o permittività) ) dielettrica del vuoto, il cui valore è:

22 Misura del contenuto idrico La permittività dielettrica relativa ε r Negli altri mezzi la costante (o permittività) ) dielettrica si indica con ε ed è posta uguale a: ε = ε ε 0 r dove ε r è la permittività dielettrica relativa (o costante dielettrica relativa), un numero adimensionale sempre maggiore di 1

23 Misura del contenuto idrico La permittività dielettrica relativa ε r Poiché nella legge di Coulomb la permittività compare al denominatore, la forza che si esercita fra due cariche elettriche è,, in valore assoluto, massima nel vuoto e diminuisce al crescere della permittività relativa Ciò significa che maggiore è la costante dielettrica di un mezzo, maggiore è il suo potere isolante (i materiali isolanti vengono anche chiamati dielettrici)

24 Misura del contenuto idrico La permittività dielettrica relativa ε r Nel caso dell'aria, la permettività elettrica è ε r = 1,00059, approssimabile ad 1, che è il valore assegnato alla costante dielettrica nel vuoto Pertanto, vista la prossimità fra tali valori, l'aria è l'unico mezzo fisico che viene assimilato allo spazio vuoto

25 Misura del contenuto idrico Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) La TDR consiste nell infiggere una sonda metallica nel suolo, che genera, mediante un generatore collegato alla sonda tramite un cavo coassiale, un onda elettromagnetica a fronte ripido; l onda l si riflette al termine della linea e ritorna alla sorgente Cable Tester PC portatile Sonda

26 Misura del contenuto idrico Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) La velocità con cui l onda l si propaga lungo la linea è inversamente proporzionale alla radice quadrata di ε r dove k è un coefficiente di proporzionalità V = La misura del tempo intercorrente tra l emissione l dell onda e il ritorno all origine dell onda riflessa, nota la lunghezza della sonda, consente di risalire alla velocità V e quindi alla costante dielettrica relativa ε r k ε r

27 Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) La TDR presenta numerosi vantaggi: non comporta pericoli per chi esegue la misura è poco invasiva Misura del contenuto idrico non necessita di calibrazione fornisce misure con una precisione del ±2% ben si presta ad una automatizzazione delle misure

28 Misura del potenziale matriciale

29 Misura del potenziale matriciale La misura della potenziale matriciale si effettua, sia in laboratorio che in campo, per mezzo di appositi strumenti detti tensiometri Il tensiometro è costituito da una capsula di un materiale poroso a granulometria molto fine e molto uniforme che, posta in contatto con il suolo, dopo un transitorio più o meno lungo, si porta in equilibrio idraulico con esso

30 Misura del potenziale matriciale Il potenziale all interno della capsula è lo stesso del suolo con cui è in contatto Alle spalle della capsula porosa vi è un circuito idraulico nel quale è possibile misurare la pressione dell acqua

31 Misura del potenziale matriciale Il materiale poroso costituente la capsula è caratterizzato dal cosiddetto punto di ingresso d aria d (air entry point), che rappresenta il valore del potenziale matriciale per il quale l aria l riesce a penetrare nei pori e la capsula diviene insatura A questo punto l aria l penetra nel circuito idraulico e non è più possibile misurare il potenziale all interno della capsula (il tensiometro di disconnette)

32 Misura del potenziale matriciale I materiali porosi attualmente in uso hanno punti di ingresso dell aria di alcune decine di atmosfere, per cui la disconnessione del tensiometro avviene non per l ingresso l dell aria, ma per formazione di bolle all interno del circuito idraulico (intorno a 0.6 atm) La misura della pressione nel circuito viene spesso effettuata con un manometro a cella di pressione

33 Misura del potenziale matriciale

34 Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a disco o ad anello L infiltrometro a disco consente di stimare tramite una misura diretta di infiltrazione i parametri di una espressione approssimata dell infiltrazione potenziale

35 Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a disco o ad anello Si considera il solo moto verticale di infiltrazione

36 Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a disco o ad anello Applicando la formula di Darcy tra la superficie del suolo ed il fronte di inumidimento,, si ha: V i = velocità di infiltrazione L f = profondità del fronte umido H w = tirante idrico sulla superficie h f = altezza piezometrica (o potenziale matriciale) in corrispondenza del fronte di inumidimento K w = conducibilità idraulica

37 In generale, se H w e h f sono trascurabili rispetto a L f : si ottiene: Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a disco o ad anello L f >> H w ; L f >> h f

38 Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a disco o ad anello Tuttavia il suolo non è in condizioni di saturazione: vi può essere aria residua nei pori del suolo Per i suoli a grana grossa (ghiaie e sabbie, si assume: Per i suoli a grana fine (limi ed argille), si assume invece: dove K fs è la conducibilità idraulica in condizioni di saturazione del suolo

39 Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a disco o ad anello Il metodo presenta scarsa accuratezza, in particolare per dimensioni contenute del diametro dell anello, che conducono alla notevole sovrastima la conducibilità idraulica

40 Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a doppio anello Si utilizza allora l'infiltrometro a doppio anello, formato da due anelli concentrici, infissi nel suolo per una profondità proporzionale alle loro dimensioni Durante la prova il tirante idrico viene mantenuto identico nei due anelli

41 Misura della conducibilità idraulica Infiltrometro a doppio anello L'anello esterno ha la funzione di minimizzare la componente orizzontale del flusso idrico; l'anello interno invece confina il suolo destinato alla prova di infiltrazione Il valore della conducibilità idraulica viene determinato dal rapporto fra la riduzione del tirante idrico [mm] e l intervallo temporale in cui tale abbassamento si manifesta [s; min; h]

42 Misura della conducibilità idraulica Permeametro Guelph Il permeametro costituito da: di Guelph è due cilindri coassiali da immettere nel foro di misura un serbatoio di acqua che funge da riserva idrica un tubo per l aspirazione l dell'aria una valvola di fondo

43 Misura della conducibilità idraulica Permeametro Guelph La graduazione del cilindro consente di impostare il battente idrico e quindi il carico idraulico da applicare Un supporto sagomato ed a tenuta stagna contiene il foro per l'immissione dell'acqua

44 Misura della conducibilità idraulica Permeametro Guelph Il fondo dello strumento, a contatto con il suolo, è costituito da un anello in gomma con base ermetica e fessurato longitudinalmente, nel quale è inserita la parte terminale del cilindro esterno

45 Misura della conducibilità idraulica Permeametro Guelph Una volta posizionato lo strumento e rifornita di acqua la sua riserva, si rileva la riduzione dell altezza idrica all'interno del serbatoio (interno od esterno, in funzione delle caratteristiche idrauliche del suolo) ad intervalli di tempo prefissati La prova può considerarsi terminata quando lo strumento fornirà almeno tre valori uguali (o almeno prossimi), il che indica che si è raggiunta la condizione di stazionarietà

46 Il valore della conducibilità idraulica k sarà fornito dalla seguente formula: dove: Misura della conducibilità idraulica Permeametro Guelph k L L t L 1 = livello finale dell acqua nel serbatoio graduato L 2 = livello iniziale dell acqua nel serbatoio graduato t t = intervallo di tempo fra le due rilevazioni 1 2 =

47 Determinazione della curva di ritenzione La misura della curva di ritenzione consiste nella rilevazione simultanea su un campione di suolo del contenuto d acqua d e del potenziale matriciale Le tecniche di misura più usate sono le seguenti: vasche Stackman,, per la misura del tratto di curva prossimo alla saturazione piastre di Richards,, per la misura del tratto di curva lontano dalla saturazione

48 Determinazione della curva di ritenzione Le vasche Stackman consistono in una superficie di materiale poroso umido (di solito un impasto di caolino) posto in contatto con una sorgente idrica a potenziale noto; i campioni di suolo vengono poggiati su di essa, assicurandosi che avvenga il contatto idraulico Col tempo il potenziale matriciale all interno dei campioni si porta in equilibrio con quello della superficie porosa A questo punto il campione viene prelevato e pesato, quindi si modifica il valore del potenziale della superficie umida e si attende che una nuova situazione di equilibrio sia raggiunta

49 Determinazione della curva di ritenzione L operazione viene ripetuta tante volte quanti sono i punti della curva di ritenzione che si vogliono stimare Al termine della prova il campione viene essiccato in stufa per determinarne il peso secco, che consente di associare a tutte le pesate effettuate in precedenza un valore del contenuto d acquad

50 Determinazione della curva di ritenzione Le piastre di Richards sono contenitori d acciaio d a tenuta ermetica, entro i quali vengono posti piccoli campioni di suolo Attraverso un circuito di aria compressa viene imposta una pressione nota all aria aria all interno del contenitore

51 Determinazione della curva di ritenzione Alla base del contenitore vi è un foro di drenaggio occluso da una piastra di materiale poroso a granulometria molto fine e molto uniforme, caratterizzato da un elevatissimo valore del punto di ingresso dell aria (> 30 atm) In tal modo, essendo il materiale della piastra totalmente saturo d acqua, d solo l acqua, l ma non l aria, l può uscire dal contenitore

52 Determinazione della curva di ritenzione Il campione di suolo con il tempo si pone in equilibrio con il valore del potenziale capillare corrispondente alla pressione dell aria imposta; a questo punto, il campione viene estratto dal contenitore e rapidamente pesato

53 Determinazione della curva di ritenzione Quindi si rimette il campione dentro il contenitore e si provvede a modificare la pressione dell aria, ripetendo l operazione per ottenere un nuovo punto della curva di ritenzione

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